MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  gausslemma2d Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem gausslemma2d 27747
Description: Gauss' Lemma (see also theorem 9.6 in [ApostolNT] p. 182) for integer 2: Let p be an odd prime. Let S = {2, 4, 6, ..., p - 1}. Let n denote the number of elements of S whose least positive residue modulo p is greater than p/2. Then ( 2 | p ) = (-1)^n. (Contributed by AV, 14-Jul-2021.)
Hypotheses
Ref Expression
gausslemma2d.p (𝜑 → 𝑃 ∈ (ℙ ∖ {2}))
gausslemma2d.h 𝐻 = ((𝑃 − 1) / 2)
gausslemma2d.r 𝑅 = (𝑥 ∈ (1...𝐻) ↦ if((𝑥 · 2) < (𝑃 / 2), (𝑥 · 2), (𝑃 − (𝑥 · 2))))
gausslemma2d.m 𝑀 = (⌊‘(𝑃 / 4))
gausslemma2d.n 𝑁 = (𝐻 − 𝑀)
Assertion
Ref Expression
gausslemma2d (𝜑 → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁))
Distinct variable groups:   𝑥,𝐻   𝑥,𝑃   𝜑,𝑥   𝑥,𝑀
Allowed substitution hints:   𝑅(𝑥)   𝑁(𝑥)

Proof of Theorem gausslemma2d
StepHypRef Expression
1 gausslemma2d.p . . 3 (𝜑 → 𝑃 ∈ (ℙ ∖ {2}))
2 gausslemma2d.h . . 3 𝐻 = ((𝑃 − 1) / 2)
3 gausslemma2d.r . . 3 𝑅 = (𝑥 ∈ (1...𝐻) ↦ if((𝑥 · 2) < (𝑃 / 2), (𝑥 · 2), (𝑃 − (𝑥 · 2))))
4 gausslemma2d.m . . 3 𝑀 = (⌊‘(𝑃 / 4))
5 gausslemma2d.n . . 3 𝑁 = (𝐻 − 𝑀)
61, 2, 3, 4, 5gausslemma2dlem7 27746 . 2 (𝜑 → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = 1)
7 eldifi 4070 . . . . . 6 (𝑃 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 𝑃 ∈ ℙ)
8 prmnn 16890 . . . . . . . 8 (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
98nnred 12388 . . . . . . 7 (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℝ)
10 prmgt1 16914 . . . . . . 7 (𝑃 ∈ ℙ → 1 < 𝑃)
119, 10jca 521 . . . . . 6 (𝑃 ∈ ℙ → (𝑃 ∈ ℝ ∧ 1 < 𝑃))
12 1mod 14081 . . . . . 6 ((𝑃 ∈ ℝ ∧ 1 < 𝑃) → (1 mod 𝑃) = 1)
131, 7, 11, 124syl 20 . . . . 5 (𝜑 → (1 mod 𝑃) = 1)
1413eqcomd 2769 . . . 4 (𝜑 → 1 = (1 mod 𝑃))
1514eqeq2d 2774 . . 3 (𝜑 → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = 1 ↔ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)))
16 neg1z 12770 . . . . . . . . . . 11 -1 ∈ ℤ
171, 4, 2, 5gausslemma2dlem0h 27736 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ0)
18 zexpcl 14257 . . . . . . . . . . 11 (( -1 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → ( -1↑𝑁) ∈ ℤ)
1916, 17, 18sylancr 599 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ( -1↑𝑁) ∈ ℤ)
20 2nn 12454 . . . . . . . . . . . . 13 2 ∈ ℕ
2120a1i 11 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → 2 ∈ ℕ)
221, 2gausslemma2dlem0b 27730 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → 𝐻 ∈ ℕ)
2322nnnn0d 12705 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → 𝐻 ∈ ℕ0)
2421, 23nnexpcld 14428 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (2↑𝐻) ∈ ℕ)
2524nnzd 12757 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (2↑𝐻) ∈ ℤ)
2619, 25zmulcld 12847 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) ∈ ℤ)
2726zred 12841 . . . . . . . 8 (𝜑 → (( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) ∈ ℝ)
28 1red 11346 . . . . . . . 8 (𝜑 → 1 ∈ ℝ)
2927, 28jca 521 . . . . . . 7 (𝜑 → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ))
3029adantr 486 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)) → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ))
311gausslemma2dlem0a 27729 . . . . . . . . 9 (𝜑 → 𝑃 ∈ ℕ)
3231nnrpd 13200 . . . . . . . 8 (𝜑 → 𝑃 ∈ ℝ+)
3319, 32jca 521 . . . . . . 7 (𝜑 → (( -1↑𝑁) ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℝ+))
3433adantr 486 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)) → (( -1↑𝑁) ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℝ+))
35 simpr 490 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)) → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃))
36 modmul1 14105 . . . . . 6 ((((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ) ∧ (( -1↑𝑁) ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℝ+) ∧ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)) → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃))
3730, 34, 35, 36syl3anc 1399 . . . . 5 ((𝜑 ∧ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)) → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃))
3837ex 418 . . . 4 (𝜑 → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃) → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃)))
3919zcnd 12842 . . . . . . . . 9 (𝜑 → ( -1↑𝑁) ∈ ℂ)
4024nncnd 12389 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (2↑𝐻) ∈ ℂ)
4139, 40, 39mul32d 11557 . . . . . . . 8 (𝜑 → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) = ((( -1↑𝑁) · ( -1↑𝑁)) · (2↑𝐻)))
4217nn0cnd 12707 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → 𝑁 ∈ ℂ)
43422timesd 12627 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → (2 · 𝑁) = (𝑁 + 𝑁))
4443eqcomd 2769 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (𝑁 + 𝑁) = (2 · 𝑁))
4544oveq2d 7465 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ( -1↑(𝑁 + 𝑁)) = ( -1↑(2 · 𝑁)))
46 neg1cn 12343 . . . . . . . . . . . 12 -1 ∈ ℂ
4746a1i 11 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → -1 ∈ ℂ)
4847, 17, 17expaddd 14329 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ( -1↑(𝑁 + 𝑁)) = (( -1↑𝑁) · ( -1↑𝑁)))
4917nn0zd 12756 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → 𝑁 ∈ ℤ)
50 m1expeven 14290 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℤ → ( -1↑(2 · 𝑁)) = 1)
5149, 50syl 18 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ( -1↑(2 · 𝑁)) = 1)
5245, 48, 513eqtr3d 2806 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (( -1↑𝑁) · ( -1↑𝑁)) = 1)
5352oveq1d 7464 . . . . . . . 8 (𝜑 → ((( -1↑𝑁) · ( -1↑𝑁)) · (2↑𝐻)) = (1 · (2↑𝐻)))
5440mullidd 11364 . . . . . . . 8 (𝜑 → (1 · (2↑𝐻)) = (2↑𝐻))
5541, 53, 543eqtrd 2802 . . . . . . 7 (𝜑 → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) = (2↑𝐻))
5655oveq1d 7464 . . . . . 6 (𝜑 → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((2↑𝐻) mod 𝑃))
5739mullidd 11364 . . . . . . 7 (𝜑 → (1 · ( -1↑𝑁)) = ( -1↑𝑁))
5857oveq1d 7464 . . . . . 6 (𝜑 → ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃))
5956, 58eqeq12d 2779 . . . . 5 (𝜑 → ((((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) ↔ ((2↑𝐻) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃)))
602oveq2i 7460 . . . . . . . 8 (2↑𝐻) = (2↑((𝑃 − 1) / 2))
6160oveq1i 7459 . . . . . . 7 ((2↑𝐻) mod 𝑃) = ((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃)
6261eqeq1i 2768 . . . . . 6 (((2↑𝐻) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃) ↔ ((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃))
63 2z 12766 . . . . . . . . . 10 2 ∈ ℤ
64 lgsvalmod 27689 . . . . . . . . . 10 ((2 ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ (ℙ ∖ {2})) → ((2 /L 𝑃) mod 𝑃) = ((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃))
6563, 1, 64sylancr 599 . . . . . . . . 9 (𝜑 → ((2 /L 𝑃) mod 𝑃) = ((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃))
6665eqcomd 2769 . . . . . . . 8 (𝜑 → ((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = ((2 /L 𝑃) mod 𝑃))
6766eqeq1d 2765 . . . . . . 7 (𝜑 → (((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃) ↔ ((2 /L 𝑃) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃)))
681, 4, 2, 5gausslemma2dlem0i 27737 . . . . . . 7 (𝜑 → (((2 /L 𝑃) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃) → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
6967, 68sylbid 243 . . . . . 6 (𝜑 → (((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃) → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
7062, 69biimtrid 245 . . . . 5 (𝜑 → (((2↑𝐻) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃) → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
7159, 70sylbid 243 . . . 4 (𝜑 → ((((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
7238, 71syld 48 . . 3 (𝜑 → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃) → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
7315, 72sylbid 243 . 2 (𝜑 → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = 1 → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
746, 73mpd 16 1 (𝜑 → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁))
Colors of variables:    wff setvar class
This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ wa 401   = wceq 1570   ∈ wcel 2147   ∖ cdif 4048  ifcif 4485  {csn 4588   class class class wbr 5106   ↦ cmpt 5190  ‘cfv 6564  (class class class)co 7449  ℂcc 11235  ℝcr 11236  1c1 11238   + caddc 11240   · cmul 11242   < clt 11380   − cmin 11578   -cneg 11579   / cdiv 12011  ℕcn 12373  2c2 12435  4c4 12437  ℕ0cn0 12644  ℤcz 12731  ℝ+crp 13158  ...cfz 13677  ⌊cfl 13968   mod cmo 14047  ↑cexp 14242  ℙcprime 16887   /L clgs 27667
This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1828  ax-4 1842  ax-5 1945  ax-6 2002  ax-7 2043  ax-8 2149  ax-9 2157  ax-10 2180  ax-11 2197  ax-12 2216  ax-ext 2735  ax-rep 5236  ax-sep 5253  ax-nul 5264  ax-pow 5332  ax-pr 5396  ax-un 7781  ax-inf2 9677  ax-cnex 11293  ax-resscn 11294  ax-1cn 11295  ax-icn 11296  ax-addcl 11297  ax-addrcl 11298  ax-mulcl 11299  ax-mulrcl 11300  ax-mulcom 11301  ax-addass 11302  ax-mulass 11303  ax-distr 11304  ax-i2m1 11305  ax-1ne0 11306  ax-1rid 11307  ax-rnegex 11308  ax-rrecex 11309  ax-cnre 11310  ax-pre-lttri 11311  ax-pre-lttrn 11312  ax-pre-ltadd 11313  ax-pre-mulgt0 11314  ax-pre-sup 11315
This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1573  df-fal 1583  df-ex 1813  df-nf 1817  df-sb 2102  df-mo 2567  df-eu 2597  df-clab 2742  df-cleq 2755  df-clel 2839  df-nfc 2913  df-ne 2960  df-nel 3066  df-ral 3081  df-rex 3091  df-rmo 3369  df-reu 3370  df-rab 3417  df-v 3456  df-sbc 3743  df-csb 3852  df-ss 3901  df-pss 4017  df-dif 4050  df-in 4094  df-un 4154  df-nul 4282  df-if 4486  df-pw 4562  df-sn 4589  df-pr 4591  df-tp 4593  df-op 4839  df-uni 4871  df-int 4911  df-iun 4956  df-br 5107  df-opab 5172  df-mpt 5191  df-tr 5217  df-id 5551  df-eprel 5556  df-po 5564  df-so 5565  df-fr 5609  df-se 5610  df-we 5611  df-xp 5662  df-rel 5663  df-cnv 5664  df-co 5665  df-dm 5666  df-rn 5667  df-res 5668  df-ima 5669  df-pred 6328  df-ord 6389  df-on 6390  df-lim 6391  df-suc 6392  df-iota 6518  df-fun 6566  df-fn 6567  df-f 6568  df-f1 6569  df-fo 6570  df-f1o 6571  df-fv 6572  df-isom 6573  df-riota 7406  df-ov 7452  df-oprab 7453  df-mpo 7454  df-om 7910  df-1st 8033  df-2nd 8034  df-frecs 8335  df-wrecs 8366  df-recs 8415  df-rdg 8454  df-1o 8512  df-2o 8513  df-oadd 8516  df-er 8753  df-en 9010  df-dom 9011  df-sdom 9012  df-fin 9013  df-sup 9469  df-inf 9470  df-oi 9539  df-dju 10017  df-card 10055  df-pnf 11382  df-mnf 11383  df-xr 11384  df-ltxr 11385  df-le 11386  df-sub 11580  df-neg 11581  df-div 12012  df-nn 12374  df-2 12443  df-3 12444  df-4 12445  df-5 12446  df-6 12447  df-n0 12645  df-xnn0 12718  df-z 12732  df-uz 13004  df-q 13114  df-rp 13159  df-ioo 13518  df-fz 13678  df-fzo 13827  df-fl 13970  df-mod 14048  df-seq 14183  df-exp 14243  df-fac 14457  df-hash 14514  df-cj 15307  df-re 15308  df-im 15309  df-sqrt 15443  df-abs 15444  df-clim 15696  df-prod 16114  df-dvds 16464  df-gcd 16706  df-prm 16888  df-phi 16984  df-pc 17056  df-lgs 27668
This theorem is used by:  2lgs  27780
  Copyright terms: Public domain W3C validator